Усовершенствование экспериментальной установки и процедура исследования анизотропных вязкоупругих свойств композиционного материала при повышенных температурах

Abstract

Описан процесс модернизации установки, предназначенной для проведения длительных испытаний стальных и алюминиевых цилиндрических образцов на высокотемпературную ползучесть, под экспериментальные исследования анизотропных прочностных и вязкоупругих характеристик плоских композиционных образцов при повышенных температурах. Для реализации данной цели была предложена схема перестройки держателей образцов в экспериментальной машине, а также метод их крепления. Разработанный, спроектированный и построенный блок автоматического регулирования температурного режима электропечи позволил поддерживать повышенную температуру с достаточно малой погрешностью при продолжительной её работе и регулировать температуру нагрева в заданном диапазоне, что было необходимо для исследования механических свойств композиционных образцов. Проведение экспериментального исследования мгновенных и длительных механических свойств продемонстрировало эффективность усовершенствований, выполненных для экспериментальной установки, применительно к реализации такого рода экспериментов.

Описано процес модернізації існуючої установки, призначеної для проведення довготривалих випробувань сталевих та алюмінієвих циліндричних зразків на високотемпературну повзучість, під експериментальні дослідження анізотропних міцнісних та в’язкопружних характеристик плоских композиційних зразків при підвищених температурах. Для реалізації даної мети була запропонована схема перебудови тримачів зразків в експериментальній машині, а також метод їх кріплення. Зразки для проведення експерименту були вирізані у відповідності до оптимальної їх форми з одного листа ортогонально армованого композиційного матеріалу під різними кутам до напрямків армування, що дозволило отримувати їхні анізотропні механічні властивості. Підготовка зразків до проведення експериментального дослідження була виконана у відповідності до міжнародних стандартів, що забезпечило точність отримання шукомих величин. Розроблений, спроектований та побудований блок автоматичного регулювання температурного режиму електропечі дозволив підтримувати підвищену температуру у порівняно вузькому діапазоні при довготривалій її роботі, що було необхідно для дослідження механічних властивостей композиційних зразків, а також регулювати температуру нагріву у заданому діапазоні. При виконанні серії експериментів була обрана оптимальна температура, що є вищою за температуру склування композиційного матеріалу та нижчою за його температуру фазового переходу. Її дотримання дозволило вимірювати в’язкопружні властивості композиту із високою точністю при досягненні часу релаксації за половину періоду вимірювань та гарантувати повну побудову кривих повзучості. Проведення експериментального дослідження миттєвих та тривалих механічних властивостей продемонструвало ефективність вдосконалень, виконаних для експериментальної установки, для реалізації такого роду експериментів.

The paper describes the process of modernizing the existing installation designed for performing long-term tests of steel and aluminum cylindrical specimens for high-temperature creep with the purpose of conducting the experimental studies of the anisotropic strength and viscoelastic characteristics of planar composite specimens at elevated temperatures. In view of the differences in the approaches to finding the mechanical properties of metals and composite materials, the modernization required that special methods be developed for its implementation. In order to achieve the objective set, a scheme for reconstructing the specimen holders in the experimental installation was proposed, as well as the method of fixing them, implementing uniaxial stress-stain state and enabling one to avoid stress concentration where the grippers are used. The specimens for the experiment were cut out in accordance with their optimal shape from one sheet of orthogonally reinforced composite material at different angles to the reinforcement direction, which allowed obtaining their anisotropic mechanical properties. The preparation of the specimens for conducting the experimental study was performed in accordance with international standards, which ensured the accuracy of obtaining the desired mechanical quantities. The developed, designed and built automatic temperature control block for the electric furnace allowed maintaining elevated temperature with a sufficiently small error during its long use, which was necessary for studying the mechanical properties of composite specimens, as well as regulating the heating temperature in a given range. When performing a series of experiments, an optimal temperature was chosen that was higher than the glass transition temperature of the composite material and lower than its phase transition temperature. Its observance made it possible to measure the viscoelastic properties of the composite with a high accuracy when the relaxation time reached half of the measuring period and guarantee a complete construction of creep curves. Conducting the experimental study of the instantaneous and long-term mechanical properties demonstrated the effectiveness of the improvements made for the experimental installation, as applied to the realization of such experiments. The developed procedure can be used for finding the anisotropic vicoelastic properties of the composite materials dependent on time and temperature, as well as setting the level of anisotropy of such properties for its subsequent consideration in the mathematical models of the mechanical behaviour of structural and installation elements made of composite materials.